JP4467730B2

JP4467730B2 - 基板加熱装置

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Publication number: JP4467730B2
Application number: JP2000233643A
Authority: JP
Inventors: 剛志渡辺; 和典渋川; 誠中尾; 克郎井上; 嘉彦村上
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP2002050461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板状の基板、例えば、半導体ウエハ、プリント基板、ガラス基板等を加熱する基板加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体ウエハの製造においては、ＣＶＤ膜形成工程、エピタキシャル膜形成工程、酸化膜形成工程、拡散膜形成工程等、熱処理を必要とする工程が数多く存在している。半導体ウエハ等板状の基板を加熱する基板加熱装置としては、従来図４及び図５に示す基板加熱装置が用いられていた。
【０００３】
図４及び図５は、面状ヒータを用いた基板加熱装置の第１の従来例を示すものである。第１の従来例に係る基板加熱装置２０は、面状ヒータ２１、給電用電極２３、２３、及びヒータケース４とを備えている。
面状ヒータ２１は、半円形の円弧を折り返すようにして配置された帯状の発熱体２２を備えている。発熱体２２の幅Ｗは、内周部中央に近づくほど大きく、外周部の外側に近づくほど小さくなっている。
そして、発熱体２２には給電用電極２３、２３が接続されている。また、面状ヒータ２１は、断熱性のヒーターケース４内に収容されている。このヒータケース４は、例えば不透明石英等で形成され、熱反射板としての作用を発揮すると共に、その上部は、基板５を保持するための試料台６となっている。
この基板加熱装置２０はチャンバ７に収容されている。そして、チャンバ７の上部にはプロセスガス導入口８が、チャンバ７の下部にはプロセスガス排気口９が設けられている。発熱体２２に通電するための給電用電極２３、２３は、気密シール部２４を介して、チャンバ９の外部に導出されている。
【０００４】
上記第１の従来例は、加熱の均一性の観点で改善すべきものであった。すなわち、半導体ウエハの製造工程等においては、半導体ウエハの高集積化、大口径化がすすむにつれ、ウエハの面内温度の均一性をいかに確保するかが重要な課題となっている。また、この温度均一性は、真空度、プロセスガスなどの変化等の、いわゆる熱処理条件が変化しても維持されていることが必要である。
【０００５】
係る観点から、上記第１の従来例を改良した基板加熱装置として、図６及び図７に示す第２の従来例に係る基板加熱装置が用いられていた。両図において、図４及び図５に示す構成部材と同一の構成部材には、同一の符号を附してその説明を省略する。
第２の従来例に係る基板加熱装置３０は、面状ヒータ３１ａ、３１ｂ、給電用電極３３ａ、３３ａ、３３ｂ、３３ｂ及びヒータケース４とを備えている。この面状ヒータ３１ａ、３１ｂは各々同一平面内の内周部と外周部とに配置されており、共に、ヒーターケース４内に収容されている。そして、各々半円形の円弧を折り返すようにして配置された帯状の発熱体３２ａ、３２ｂを備えている。この発熱体３２ａ、３２ｂの幅Ｗは、発熱体３２ａの方が発熱体３２ｂより大きく、また、各々の幅Ｗは、内周部中心に近づくほど大きく、外周部の外側に近づくほど小さくなっている。
【０００６】
発熱体３２ａに通電するための給電用電極３３ａ、３３ａは、気密シール部３４ａを介して、チャンバ９の外部に導出されている。一方、発熱体３２ｂに通電するための給電用電極３３ｂ、３３ｂは、気密シール部３４ｂを介して、チャンバ９の外部に導出されている。図に示すように、給電用電極３３ａ、３３ａ及び気密シール部３４ａは、チャンバ９の底部の略中央に配置されている。一方、給電用電極３３ｂ、３３ｂ及び気密シール部３４ｂは、チャンバ９の底部の外周部に配置されている。
【０００７】
第２の従来例に係る基板加熱装置３０では、基板加熱装置を構成する面状ヒータが同一平面内において二つの面状ヒータに分割され、面状ヒーター３１ａによって主として基板の内周部を加熱し、面状ヒーター３１ｂによって主として基板の外周部を加熱するようになっている。そして、給電用電極３３ａ、３３ａと３３ｂ、３３ｂへの供給電力の増減を行い、基板加熱装置３０の発熱分布の制御ができるようになっているものである。
【０００８】
このように、基板加熱装置を構成する面状ヒータを同一平面内においていくつかのゾーンに分割し、内周部を主に加熱する面状発熱体への給電用電極は中心部付近に、外周部を主に加熱する面状発熱体への給電用電極は外周部に配設して、各面状発熱体への供給電力の増減を行い、各ゾーン毎に加熱温度の調整を行うことが従来から行われていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第２の従来例の基板加熱装置では、いわゆる熱処理環境が変化しても基板の面内温度の均一性は充分確保されるものの、膜形成工程に使用されて各種の薄膜を成膜する場合には、成膜性が悪く、良質の膜を成膜することが困難であった。
また、所望の熱処理温度まで急速に昇温するのが困難であり、さらに、それぞれの給電用電極は分散して配設されているので、基板加熱装置の占有スペースが増大するという不都合があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、いわゆる熱処理環境が変化しても基板の面内温度の均一性は充分確保されるのはもちろんのこと、膜形成工程に使用されて各種の薄膜を成膜する場合には成膜性が良好であって良質の膜を成膜することが可能であり、所望の熱処理温度までの昇温を迅速に行うことができ、しかも、基板加熱装置の占有スペースの増大の原因とならない基板加熱装置及びこの基板加熱装置に好適に使用できる面状ヒータを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題解決のため鋭意検討した結果、基板加熱装置を構成する複数の面状ヒータを上下に多段に設置し、各面状ヒータ毎に供給電力を調整し、しかも、基板加熱装置が設置されたチャンバー内におけるプロセスガスの流れに乱れがないようにすれば上記課題を効率的に解決し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、請求項１に係る発明として、通電により発熱する発熱体を備えた第１及び第２の面状ヒータによって、基板を加熱する基板加熱装置であって、前記第１の面状ヒータは、内周側の単位面積当たりの発熱量が外周側の単位面積当たりの発熱量より相対的に大きく、前記第２の面状ヒータは、外周側の単位面積当たりの発熱量が内周側の単位面積当たりの発熱量より相対的に大きく、かつ、前記第１の面状ヒータと前記第２の面状ヒータとは、略等しいサイズ及び外形状をなし、互いに平行に絶縁板を挟んで対向配置されたことを特徴とする基板加熱装置を提供する。
【００１３】
本発明の基板加熱装置によれば、２つの面状ヒータを上下に設置し、各面状ヒータ毎に供給電力を調整することにより、全体として基板の内周面と外周面との何れかを重点的に加熱することができる。そのため、面全体の温度の均一性を図ることができる。また、２つの面状ヒータを同時に用いて加熱できるので、昇温速度を上げることができる。
【００１４】
本発明の基板加熱装置において、面状ヒータは通電により発熱する帯状の発熱体を備えた面状ヒータであって、前記発熱体の幅が、面状ヒータの内周部に配置される部分と外周部に配置される部分とで異なる面状ヒータとすることが好ましい。
すなわち、請求項２に係る発明として、前記第１及び第２の面状ヒータの発熱体は帯状であり、第１の面状ヒータの発熱体は、その幅が内周部の中心部に近づくほど小さく、外周部の外側に近づくほど大きく形成され、前記第２の面状ヒータの発熱体は、その幅が内周部の中心部に近づくほど大きく、外周部の外側に近づくほど小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の基板加熱装置を提供する。
一般に発熱体の発熱量は発熱体の断面積に反比例するので、帯状の発熱体の場合、その発熱量は発熱体の幅に反比例することになる。そこで、内周部と外周部とで、幅を異なるものとすれば、それらの位置における発熱量を変えることが可能となるものである。
なお、内周部と外周部との発熱量に偏りを持たせた面状ヒータとしては、その他、内周面と外周面とにおける発熱体の配線密度を変えたもの等種々の構成の面状ヒータを適宜採用することができる。
【００１５】
本発明の基板加熱装置においては、各面状ヒータの発熱体に通電するための給電用電極は、基板のほぼ中心部付近に配設することが望ましい。具体的には請求項３に記載の如く、基板の中心から該基板の直径の５０％以内の円形領域内に位置することが好ましい。
本発明によれば、チャンバ内の基板加熱装置の凹凸が減少し、かつ凹凸を加熱面裏面の中央に集中配置できるので、加熱装置が設置されたチャンバ内のプロセスガスの流れに乱れが生ずることがなく、もって、成膜性が良好となり、例えば膜厚の均一性等が向上し、良質の膜を成膜することが可能となる。また、チャンバからの給電用電極の取り出し部となる気密シール部を1ケ所に集中することができるので、容器の形状を簡素化することができ、基板加熱装置の占有スペースを小さくすることができる。
【００１６】
また、請求項４に記載の如く、各面状ヒータの面積は、何れも加熱される基板の面積と同等以上、すなわち、基板と同等サイズまたは基板サイズよりも大きいことが好ましい。
本発明によれば、それぞれの面状発熱体が、それぞれ基板全体に対し発熱するため、基板の単位面積当たり、より多くの電力を投入可能となる。そのため、昇温特性が向上して急速昇温が可能となり、しかも、高い温度まで基板を加熱することが可能となる。
【００１７】
さらに、前記各面状ヒーターの発熱体は、請求項５に記載の如く常温での熱伝導率が１２０Ｗ／m・Ｋ以上で、かつ輻射率が０．７５以上の導電性材料で形成されてなることが好ましい。
このように各面状ヒータの発熱体を優れた熱伝導率及び輻射率を持つ導電性材料で構成することにより、基板に対し遠い位置に配置した面状ヒータの発熱体から輻射された熱を、基板とその面状ヒータとの間にある他の面状ヒータに遮られることなく、効率良く基板に伝えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図３を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。これらの図において、図４及び図５に示す構成部材と同一の構成部材には、同一の符号を附してその説明を省略する。なお、この実施形態は本発明の要旨を説明するためのものであり、特に限定のない限り本発明を限定するものではない。
【００１９】
本実施形態に係る基板加熱装置１０は、面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂ、絶縁板１５、給電用電極１３Ａ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｂ及びヒータケース４とを備えている。この面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂは、互いに平行でかつ各々異なる平面に配置されており、共に、ヒーターケース４内に収容されている。そして、上下に配置された各々の面状ヒータの間には絶縁板１５が介装されている。絶縁板１５は、例えば石英等で形成されている。
【００２０】
面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂは、共に基板５とほぼ同径でほぼ同面積に形成されている。そして、各々その面積全面にわたって、半円形の円弧を折り返すようにして配置された帯状の発熱体１２Ａ、１２Ｂを備えている。上側に配置された面状ヒータ１１Ａ（第１の面状ヒータ）の発熱体１２Ａは、その幅Ｗ_Aが内周部の中心に近づくほど小さく、外周部に行くほど大きくなっている。すなわち、内周部が外周部に比べてより多く発熱するように形成されている。一方下側に配置された面状ヒータ１１Ｂ（第２の面状ヒータ）の発熱体１２Ｂは、その幅Ｗ_Bが内周部の中心に近づくほど大きく、外周部に行くほど小さくなっている。すなわち、外周部が内周部に比べてより多く発熱するように形成されている。
【００２１】
発熱体１２Ａ、１２Ｂは、常温下での熱伝導率が１２０W／m・Ｋ以上でかつ、輻射率が０．７５以上の導電性材料で形成されている。このような優れた熱伝導率及び輻射率を有する導電性材料としては、例えば特許第２７２６６９４号公報に記載された炭化珪素材料を例示することができる。
なお、絶縁板１５も高い熱伝導率を有する材質を選択することが望ましい。
【００２２】
発熱体１２Ａ、１２Ｂに通電するための給電用電極１３Ａ、１３Ｂは、いずれもチャンバ７の底面中央に設けられた単一の気密シール部１４を介して、チャンバ９の外部に導出されている。そして、給電用電極１３Ａ、１３Ａと１３Ｂ、１３Ｂへの供給電力の増減を行い、基板加熱装置１０の発熱分布の制御ができるようになっている。
【００２３】
本実施形態の基板加熱装置１０によれば、例えば、基板加熱装置１０が設置されたチャンバー７が、基板５の外周部の熱逃げが大きい雰囲気、例えば真空雰囲気のときは、第２の面状ヒータ１１Ｂの発熱体１２Ｂに、第１の面状ヒータ１１Ａの発熱体１２Ａに比べてより多くの電力を供給するように通電制御して、全体の加熱温度の均一化を図ることができる。
また、基板５の中心部の熱逃げが大きい雰囲気、例えばＮ₂大気圧雰囲気のときは、第１の面状ヒータ１１Ａの発熱体１２Ａに、第２の面状ヒータ１１Ｂの発熱体１２Ｂに比べてより多くの電力を供給するように通電制御して、全体の加熱温度の均一化を図ることができる。
このように、基板加熱装置１０が設置されたチャンバ７内の熱処理条件が変化しても、基板温度を所望の温度に均一性良く維持することができる。
【００２４】
また、給電用電極１３Ａ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｂの発熱体１２Ａ、１２Ｂへの接続部は面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂの中心部付近に位置するよう構成されており、気密シール部１４から導出される位置までの全体が基板５の中心近傍の領域に位置している。すなわち、これらの給電用電極は、少なくとも基板５の中心から基板５の直径の５０％以内、好ましくは３０％以内の円形領域内に位置している。
その結果、チャンバ７内の基板加熱装置１０の凹凸が減少し、かつ凹凸を加熱面裏面の中央に集中配置できるので、基板加熱装置１０が設置されたチャンバ７内のプロセスガスの流れに乱れが生ずることがなく、もって、成膜性が良好となり、例えば膜厚の均一性等が向上し、良質の膜を成膜することが可能となる。また、チャンバ７からの給電用電極１３Ａ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｂの取り出し部となる気密シール部１４を1ケ所に集中することができるので、チャンバ７全体形状の簡素化、占有スペースの最小化ができる。
【００２５】
更に、面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂは、共に基板５とほぼ同径でほぼ同面積に形成されており、各々その面積全面にわたって発熱体１２Ａ、１２Ｂを備えている。そのため、面状ヒータ１１Ａが主に内周部を加熱し、面状ヒータ１１Ｂが主に外周部を加熱するように構成されているとはいえ、それぞれの面状ヒータの発熱体は、それぞれ基板５全体に対し発熱するため、基板５の単位面積当たりに対して、より多くの電力を投入可能となる。従って、昇温特性が向上して急速昇温が可能となり、しかも、高い温度まで基板５を加熱することが可能となる。
【００２６】
また、発熱体１２Ａ、１２Ｂが、優れた熱伝導率及び輻射率を有する導電性材料で構成されているので、基板５に対し遠い位置に配置した面状ヒータ１１Ｂの発熱体１２Ｂから輻射された熱は、基板５と面状ヒータ１１Ｂとの間に面状ヒータ１１Ａ等が介在していても、基板５に効率良く伝えられる。
【００２７】
なお、本実施形態においては、発熱体１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ１個の帯状の発熱体で構成されるものとして構成したが、それぞれ複数の帯状発熱体群から構成されていてもよい。
また、第１及び第２の面状ヒータの他に、付加的にさらに他の面状ヒータを設けても差し支えない。この場合、より複雑な加熱制御を行うことが可能である。
【００２８】
【実施例】
「実施例」
実施形態に係る基板加熱装置（図１〜図３）を制作した。面状ヒータ１１Ａ、１１Ｂの直径は、いずれも２４０ｍｍとし、互いに５ｍｍの間隔を空けて上下に配置した。
発熱体１２Ａ、１２Ｂの材質としては、常温下での熱伝導率が１７５W／m・Ｋで、かつ、輻射率が０．９の導電性炭化珪素焼結体を用いた。発熱体１２Ａの幅Ｗ_Aは内周部中央で６ｍｍとし、徐々に大きくして外周部の一番外側では２４ｍｍとした。また、発熱体１２Ｂの幅Ｗ_Bは内周部中央で２４ｍｍとし、徐々に小さくして外周部の一番外側では６ｍｍとした。各々の発熱体の厚さ（高さ方向の長さ）は３ｍｍとした。
絶縁板１５は、透明石英製とし、直径２５０ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。ヒータケース４は不透明石英製とし、直径２７０ｍｍ、高さ２５ｍｍとした。そして、給電用電極１３Ａ、１３Ａは中心から３０ｍｍの位置に、給電用電極１３Ｂ、１３Ｂは中心から２０ｍｍの位置に配置した。
【００２９】
「比較例１」
第１の従来例に係る基板加熱装置２０（図４〜図５）を制作した。面状ヒータ２１の直径は２４０ｍｍとし、発熱体２２の幅Ｗは内周部中央で１６ｍｍとし、徐々に小さくして外周部の一番外側では１０ｍｍとした。
給電用電極２３は中心から２０ｍｍの位置に配置した。この他の条件は実施例１と同一とした。
【００３０】
「比較例２」
第２の従来例に係る基板加熱装置３０（図６〜図７）を制作した。面状ヒータ３１ａの直径は１８５ｍｍとし、面状ヒータ３１ｂは内径１９０ｍｍ、外径２４０ｍｍのドーナツ状とした。発熱体２２の幅Ｗは、面状ヒータ３１ａの内周部中央で１６ｍｍとし、徐々に小さくして、面状ヒータ３１ｂの外周部の一番外側では、１０ｍｍとした。
給電用電極３３ａは中心から２０ｍｍの位置に、給電用電極３３ｂは中心から２００ｍｍの位置に各々配置した。この他の条件は実施例１と同一とした。
【００３１】
「基板温度の均一性評価」
実施例、比較例１、比較例２の各々について、基板温度の均一性評価を行った。評価試験にあたり、Ｋ熱電対９対を均等に取り付けたSi製８インチウェハ（厚さ２ｍｍ）を基板５として試料台６上に載置し、基板温度750℃におけるSi製ウェハの温度分布範囲（ΔＴ）を、真空雰囲気（１．３３×１０^― ⁴Ｐａ）及びＮ₂大気圧雰囲気中でそれぞれ評価した。
その結果を表１に示す。なお、各々の供給電力は、実施例と比較例２にあっては、Si製８インチウェハの全面が７５０℃の均一温度となるよう、具体的には該ウエハの中心部と外周部が共に７５０℃となるように温度コントローラで制御し、比較例１にあっては、該ウエハの中心部が７５０℃となるように、温度コントローラで制御した。
【００３２】
「成膜性の評価」
Ｓｉ製８インチウェハ（厚さ２ｍｍ）を基板５として試料台６上に載置し、プロセスガス導入口８からチャンバ内にＯ₂ガスを導入すると共に、Ｓｉ製ウエハを１１５０℃に保持して、Ｓｉ製ウエハ上に酸化膜を成膜した。
この生成した酸化膜の膜厚を接触型表面粗さ計により５０箇所測定し、そのバラツキを下記式により算出した。
【数１】

その結果を表１に示す。なお、各々の供給電力は、実施例と比較例２にあっては、Si製８インチウェハの全面が１１５０℃の均一温度となるよう、具体的には該ウエハの中心部と外周部が共に１１５０℃となるように温度コントローラで制御し、比較例１にあっては、該ウエハの中心部が１１５０℃となるように、温度コントローラで制御した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１に示すように、比較例１では、Ｎ₂大気圧における温度の均一性、膜厚のバラツキともに不十分であった。これは、比較例１においては場所毎の加熱調整ができないため、基板の中心部の熱逃げ等に対応できないためと考えられる。
また、内周部と外周部との加熱量を調整できる比較例２では、温度の均一性は良好となったが、膜厚のバラツキは却って増加してしまった。これは、給電用電極が外周部にも配置されていて、Ｏ₂ガスの流れに乱れを生じさせているためと考えられる。
これに対して、実施例では、温度の均一性は比較例２と同等であり、膜厚のバラツキは比較例１、比較例２のいずれよりも小さかった。これらの比較実験により本発明の有用性が確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の面状ヒータ及び基板加熱装置によれば、熱処理環境が変化しても基板の面内温度の均一性は充分確保されるのは勿論のこと、成膜性が良好であり、良質の膜を成膜することが可能であり、昇温速度を速めることもできる。しかも、基板加熱装置の占有スペースを最小限に留めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る基板加熱装置の縦断面図である。
【図２】実施形態に係る基板加熱装置における第１の面状ヒータの平面図である。
【図３】実施形態に係る基板加熱装置における第２の面状ヒータの平面図である。
【図４】第１の従来例に係る基板加熱装置の縦断面図である。
【図５】第１の従来例に係る基板加熱装置における面状ヒータの平面図である。
【図６】第２の従来例に係る基板加熱装置の縦断面図である。
【図７】第２の従来例に係る基板加熱装置における面状ヒータの平面図である。
【符号の説明】
４ヒータケース
５基板
６試料台
７チャンバ
１０基板加熱装置
１１Ａ、１１Ｂ面状ヒータ
１２Ａ、１２Ｂ発熱体
１３Ａ、１３Ｂ給電用電極
１４気密シール部
１５絶縁板

Claims

通電により発熱する発熱体を備えた第１及び第２の面状ヒータによって、基板を加熱する基板加熱装置であって、前記第１の面状ヒータは、内周側の単位面積当たりの発熱量が外周側の単位面積当たりの発熱量より相対的に大きく、前記第２の面状ヒータは、外周側の単位面積当たりの発熱量が内周側の単位面積当たりの発熱量より相対的に大きく、かつ、前記第１の面状ヒータと前記第２の面状ヒータとは、略等しいサイズ及び外形状をなし、互いに平行に絶縁板を挟んで対向配置されたことを特徴とする基板加熱装置。
前記第１及び第２の面状ヒータの発熱体は帯状であり、前記第１の面状ヒータの発熱体は、その幅が内周側より外周側の幅の方が相対的に大きく形成され、前記第２の面状ヒータの発熱体は、その幅が外周側より内周側の幅の方が相対的に大きく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の基板加熱装置。
前記各面状ヒータの発熱体に通電するための給電用電極が、加熱される基板の中心から該基板の直径の５０％以内の円形領域内に位置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板加熱装置。
前記各面状ヒータの面積が、共に、加熱される基板の面積と同等以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の基板加熱装置。
前記各面状ヒータの発熱体は、常温での熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ輻射率が０．７５以上の導電性材料で形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の基板加熱装置。